Введение
Белки, связывающиеся с ДНК, такие как факторы транскрипции, полимеразы, нуклеазы и гистоны, – это белки, содержащие домены связывания ДНК и, следовательно, обладающие специфическим или общим сродством к одно- или двухцепочечной ДНК. Белки, специфически связывающиеся с последовательностью ДНК, обычно взаимодействуют с большой бороздкой B-ДНК, поскольку она предоставляет доступ к большему количеству функциональных групп, определяющих пару оснований.
DNA binding proteins are proteins that have DNA binding domains and thus have a specific or general affinity for single or double stranded DNA. Sequence specific DNA binding proteins generally interact with the major groove of B DNA, because it exposes more functional groups that identify a base pair.
Примеры
К белкам, связывающим ДНК, относятся факторы транскрипции, модулирующие процесс транскрипции, различные полимеразы, нуклеазы, расщепляющие молекулы ДНК, и гистоны, участвующие в упаковке хромосом и транскрипции в ядре клетки. ДНК-связывающие белки могут содержать такие домены, как цинковый палец, спираль-поворот-спираль и лейцинная молния (среди многих других), облегчающие связывание с нуклеиновыми кислотами. Существуют также более редкие примеры, такие как эффекторы, подобные активаторам транскрипции.
Неспецифические взаимодействия ДНК-белок
Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических взаимодействий белок-ДНК. Внутри хромосом ДНК находится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином. У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами. У прокариот задействовано несколько типов белков. Гистоны формируют дисковидный комплекс, называемый нуклеосомой, который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутой вокруг его поверхности. Эти неспецифические взаимодействия формируются за счет основных аминокислотных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислотным сахарно-фосфатным остовом ДНК и, следовательно, в значительной степени не зависят от последовательности оснований. Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические изменения влияют на прочность взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Другие неспецифические белки, связывающие ДНК в хроматине, включают белки группы высокой подвижности (HMG), которые связываются с изогнутой или деформированной ДНК. Биофизические исследования показывают, что эти архитектурные белки HMG связывают, изгибают и образуют петли в ДНК для выполнения ее биологических функций. Эти белки важны для изгибания рядов нуклеосом и их организации в более крупные структуры, формирующие хромосомы. Недавно было показано, что белок, связывающий FK506, 25 (FBP25) также неспецифически связывается с ДНК, что способствует восстановлению ДНК.
Белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК
Отдельная группа белков, связывающих ДНК, – это белки, специфически связывающиеся с одноцепочечной ДНК. У человека репликационный белок А является наиболее изученным представителем этого семейства и используется в процессах, связанных с разделением двойной спирали, таких как репликация ДНК, рекомбинация и репарация ДНК. Эти белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают её от образования шпилечных структур и деградации нуклеазами.
Связывание с определенными последовательностями ДНК
В отличие от них, другие белки эволюционировали для связывания с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно изучены различные факторы транскрипции – белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, имеющих эти последовательности вблизи своих промоторов. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связывать РНК-полимеразу, ответственную за транскрипцию, либо непосредственно, либо через другие медиаторные белки, что обеспечивает локализацию полимеразы у промотора и позволяет ей начать транскрипцию. Альтернативно, факторы транскрипции могут связывать ферменты, модифицирующие гистоны в промоторе, изменяя тем самым доступность ДНК-матрицы для полимеразы. Эти ДНК-мишени могут располагаться по всему геному организма. Следовательно, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут влиять на тысячи генов. Таким образом, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигналов, контролирующих реакции на изменения окружающей среды, клеточную дифференциацию и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена тем, что белки формируют множественные контакты с краями оснований ДНК, позволяя им считывать последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий оснований происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны. Математическое описание связывания белков с ДНК, учитывающее специфичность последовательности, а также конкурентное и кооперативное связывание белков разных типов, обычно выполняется с использованием решетчатых моделей. Для эффективного использования обильных данных о последовательностях, полученных в постгеномную эпоху, были предложены вычислительные методы для определения специфичности последовательности связывания ДНК.
Взаимодействие белка и ДНК
Взаимодействие белка с ДНК происходит, когда белок связывается с молекулой ДНК, часто для регуляции биологической функции ДНК, как правило, экспрессии гена. К белкам, связывающимся с ДНК, относятся факторы транскрипции, которые активируют или подавляют экспрессию генов, связываясь с ДНК-мотивами, и гистоны, являющиеся частью структуры ДНК и связывающиеся с ней менее специфично. Также тесно с ДНК взаимодействуют белки, осуществляющие репарацию ДНК, такие как урацил-ДНК-гликозилаза. В общем случае, белки связываются с ДНК в большой бороздке, однако существуют исключения. Взаимодействие белка и ДНК бывает преимущественно двух типов: специфическое или неспецифическое. Недавние эксперименты с отдельными молекулами показали, что белки, связывающие ДНК, подвергаются быстрому повторному связыванию для обеспечения правильной ориентации при распознавании целевого участка.
Дизайн
Разработка белков, связывающих ДНК, с заданным сайтом связывания является важной задачей для биотехнологии. Белки с цинковыми пальцами были сконструированы для связывания с определенными последовательностями ДНК, что легло в основу нуклеаз цинковых пальцев. В последнее время были созданы нуклеазы, подобные транскрипционным активаторам, эффекторные (TALEN), которые основаны на природных белках, секретируемых бактериями Xanthomonas посредством их системы секреции типа III при заражении различных видов растений.
Методы обнаружения
Существует множество методов in vitro и in vivo, полезных для выявления взаимодействий ДНК с белками. Ниже приведены некоторые из используемых в настоящее время: Электрофоретический анализ подвижности сдвига (EMSA) – широко распространенный качественный метод изучения взаимодействий белков с ДНК у известных белков, связывающих ДНК. Анализ взаимодействия ДНК с белками с помощью иммуноферментного анализа (DPI ELISA) позволяет проводить качественный и количественный анализ предпочтений связывания ДНК известными белками in vitro. Этот метод позволяет анализировать белковые комплексы, связывающиеся с ДНК (DPI Recruitment ELISA), или подходит для автоматизированного скрининга нескольких нуклеотидных зондов благодаря стандартному формату планшет ELISA. Иммунопреципитация хроматина используется для определения in vivo целевых участков ДНК, с которыми связывается известный фактор транскрипции. Этот метод, в сочетании с высокопроизводительным секвенированием, известен как ChIP-Seq, а в сочетании с микрочипами – как ChIP-chip. Система «Yeast one-hybrid» (Y1H) используется для определения белка, связывающегося с определенным фрагментом ДНК. Бактериальная система «one-hybrid» (B1H) используется для определения белка, связывающегося с определенным фрагментом ДНК. Определение структуры с помощью рентгеновской кристаллографии позволяет получить высокодетализированное атомное представление взаимодействий белка и ДНК. Помимо этих методов, в лаборатории для изучения взаимодействий ДНК с белками in vivo и in vitro используются и другие методы, такие как SELEX, PBM (протеиновые микромассивы), скрининг ДНК-микрочипов, DamID, FAIRE или, более недавно, DAP-seq.